“Ansiedade por Autonomia” ou “Carregadores Lentos”? Carregadores Embarcados de Veículos Elétricos Mais Rápidos Chegarão em Breve!

Muitas pessoas estavam apostando que seria para já, com o lançamento do modelo 2013, mas ainda não aconteceu. Provavelmente, o VE puro elétrico compacto Nissan LEAF irá incluir uma unidade de carregamento embarcada atualizada, de 3,3 kW e 6,6 kW, somente depois que a nova fábrica de Smyrna, no Tennessee, estiver pronta para iniciar suas operações para produzir o Nissan LEAF,  o que ocorrerá em dezembro de 2012.

Claramente, o principal problema (psicológico) com relação aos veículos elétricos (não aqui no Brasil, mas lá aonde eles, de fato, já existem) parece ser mesmo a tal "ansiedade por autonomia" - o medo dos motoristas de ficar sem eletricidade antes de chegarem ao seu destino e acabar presos na estrada. Mas o problema não pode decorrer “apenas” da limitação da autonomia.

Afinal de contas, os carros a gasolina também podem terminar sem combustível, se o motorista bobear na estrada. O problema é que a ansiedade por autonomia é agravada pelo tempo que se leva para a "recarga" dos carros elétricos.

Leva-se horas para recarregar carros elétricos em estações de carregamento em CA (que são equipamentos de baixo custo) e estações de carga CC (equipamentos de custo bem mais elevados) que são mais rápidas para recarga são, ainda, muito escassas, tornando a operação de um veículo elétrico bastante diferente daquilo que é viver com um carro a gasolina, que pode ser recarregado em 5 minutos a partir de um posto de gasolina perto de qualquer esquina.

Pesquisas revelam que, mesmo a autonomia dos veículos elétricos atuais já é suficiênte para a condução de dia-a-dia da maioria dos motoristas: mais de 90% da população de motoristas tem suas necessidades diárias atendidas.

A causa acrescentada para a ansiedade, então, é a necessidade de um processo prolongado de recarga, período em que o carro elétrico fica indisponível. Mesmo que, numa situação de incontingência, você encontre com facilidade um lugar para carregar, o ganho poderá não ser satisfatório, se você tiver que ficar “detido” por um “longo tempo” no local.

Se o carregador encontrado fornecer CA (Corrente Alternada, que é de baixo custo, menos de Us$1000 por equipamento), mesmo que ele seja de “relativa alta potência” (ou seja, de potência igual ou superior ao do carregador embarcado do carro), a velocidade da transferência de carga elétrica ficará limitada pelo carregador embarcado do carro. Por exemplo, o Nissan LEAF ano 2013 (modelo 2014) levará 45 minutos para recuperar apenas 17,2 km aproximadamente (os Táxis LEAF que entraram em testes em São Paulo a poucas semanas, no mesmo tempo, poderão recuperar menos ainda, apenas 8,6 km).

Para minimizar o problema com o tempo de carregamento, a próxima onda de VEs estarão sendo lançados com carregadores embarcados mais potentes (portanto mais rápidos para se carregar). Todo veículo elétrtico tem o seu carregador embarcado, que canaliza a energia elétrica que flui da rede elétrica CA para a bateria CC do carro e, fazendo uma analogia com carros a gasolina, o porte do carregador embarcado funciona como o diâmetro do tubo de saída de um funil, determinando, assim, o tempo de recarregamento da bateria.

Note que, se a estação de carregamento for CC, ela não dependerá do carregador embarcado e, por isso, pode recarregar muitíssimo mais rápido (nos mesmos 45 minutos carregaria a bateria a 100% e sobraria tempo para fazer a troca de óleo (se houve óleo para trocar, k kk kk kk kk k). Todavia, mesmo nos paizes sérios (k kk kkk kk kk) a implantação da rede pública (entenda-se carregadores em CC) a coisa não está ocorrendo tão rapidamente quanto num passe de mágica (cada estação CC custa de US$9000 até US$50000).

Outra coisa é o seguinte: qualquer fabricante de veículo elétrico honesto sempre alertará, em letras grandes e vermelhas, no manual do usuário do carro, que se você fizer do carregamento em CC (chamado carregamento rádido, já sendo possível carregar em até 15 minutos) o seu método de carregamento habitual, você poderá ser vitimado por uma considerável redução da vida útil da sua bateria, que poderá durar, digamos, 3 ou mesmo 4 anos a menos, do que duraria normalmente (priorizando carregamento normal em CA).

Por isso os modelos novos (a serem lançados em 2013) de VEs, entre os quais o Ford Focus EV e o Nissan Leaf, incluem entre as inovações a mudança da potência do carregador embarcado para 6,6 kW, ao invés de os carregadores de 3,3 kW dos modelos 2010-2013 do Nissan Leaf e Chevrolet Volt. Repare que a potência dobrou (o Toyota RAV4 EV (geração 2) já sinalizava por isso, quando foi lançado, “chutando o balde” com um carregador embarcado de 10kW (mas ele é um carro maior).

Em termos práticos, isso fará reduzir os tempos de carregamento em CA para estes novos VEs pela metade. Este avanço PODERIA mesmo cortar o tempo para carregar totalmente um Nissan LEAF em uma tomada de 120 volts padrão, em um carrregamento ecologicamente correto (que deve ser realizado prioritariamente durante a madrugada, entre meia noite e sete horas da manhã e não no começo da noite, pois o pico de consumo já é hoje próximo das 20hs).

Mas o fabricante do veículo sabe bem que demandar uma corrente de 15 ou 16 Amperes de uma instalação elétrica residência (caso atual do uso do cabo de carregamento lento que acompanha o carro e que proporciona carregamento em tempo de 16 hs) é algo tranquilo. Mesmo que as instalações elétricas da residência não foram planejadas pensado em VEs, as boas práticas sempre recomendaram se prever alguma margem de ampliações de demanda. No entanto, querer demandar 30 ou 32 Amperes da mesma instalação elétrica residencial já pode ser algo realmente muito sinistro e, eu não creio que eles se atreveriam, de modo algum, a fazer isso.

Na verdade, pela norma NBR 5410/2004, qualquer ponto de tomada para suprir demanda de mais de 10A jé é considerado caso especial, ou seja, deve ser um Ponto de Tomada de Uso Específico (PTUE). 9.5.3.1 Todo ponto de utilização previsto para alimentar, de modo exclusivo ou virtualmente dedicado, equipamento com corrente nominal superior a 10 A deve constituir um circuito independente. (ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008).

O problema, para se efetivamente se reduzir a metade o tempo para o usuário desprovido de uma estação de carregamento própria (do tipo residencial, obviamente), não será mais as limitações do carregador embarcado no veículo, mas será preciso, de fato, que se providencie um ponto de tomada de energia (e o respectivo circuito de alimentação com os seus condutores dimensionados e dispositivos de proteção) especialmente dimensionado e dedicado para quem quiser mesmo, carregar o seu VE em casa, em menos de 6 horas, caso contrário, correríamos o risco de ter uma epidemia de incêndios residenciais por causa de sobrecarga nas instalações elétricas e os culpados seriam os VEs.

Isso deve ser considerado de maneira muito série e, não pensem que eu estou brincando, ou mesmo exagerando, coincidentemente, agora mesmo, enquanto eu escrevo isso, olho para a TV que está ligada e o noticiário dá conta de que está acontecendo um incêndio em um estabelecimento comercial, no centro do Rio de Janeiro, e ao que tudo indica, justamente por causa de sobrecarga elétrica em instalação elétrica problemática.

Portanto, não saia instalando estações de abastecimento de VEs e PHEVs (veículos híbridos plug-in) em condomínios que estão sendo construídos apenas pra fazer bonito ou ser moderno. Antes, planeje com visão de tendências futuras, além das de curto prazo, ou corra o risco de que daqui a dois anos estes equipamentos poderem se tornar completamente obsoletos, e a propaganda esperta acabar funcionando como uma contra-propaganda.

Também não sonhem os proprietários de modelos 2011 a 2013 do Nissan LEAF, que seus carros, poderão, com facilidade, vir a ser modificados para atualizar, substituindo os carregadores embarcado antigos por novos carregadores embarcados, mais potentes, pois, muito provavelmente, eles não poderão. 

Além do retrabalho em si, ser bastante grande e complexo (penso que ao menos 4 hs de retrabalho x 2 técnicos), ela demandará ainda a substituição de muito mais peças do que simplesmente apenas o carregador em si.

Todavia, para quem vier a adquirir o modelo 2014 e encontrar uma estação de carregamento de 220V, 30A - 32A, uma forma útil de olhar para as melhorias no tempo de carga é a de considerar o número de quilômetros que você poderá recuperar em uma hora de tempo de carregamento.

Esse cálculo representa a situação análoga quando você descobre que está rodando com pouco combustível. A recuperação, ou seja, a relação alcance/tempo de carga, será dobrada, mas repito: nada deverá mudar para quem fizer o carregamento usando apenas o cabo que acompanha o carro (cabo de carga lenta).

Seja como for, enquanto eles (os EVs) não chegam (de verdade) por aqui, podemos continuar sonhando e, principalmente, aprendendo, enquanto os outros, lá fora, pagam o preço. Será que assim, dessa forma, em fim faremos as coisas direito por aqui?

Contato Técnico: Equipamento de Carregamento de Veículos Elétricos.

Nos próximos 2 ou 3 anos, não apenas a Densidade Energética das Células de Baterias de Íons de Lítio irão mais que dobrar (com a adição de Manganês e Cobalto), a fim de sanar o problema de "ansiedade por autonomia" dos motoristas, como também a Potência dos Conversores CA-CC Embarcados nos Veículos Elétricos, também, mais que dobrarão, a fim de sanar um outro problema: o "aborrecimento por carga lenta".

Para os modelos 2013, existe a forte tendência de convergência para a padronização em uma potência de 6.6 kW (muitos dos modelos que começaram em 2010 com conversores CA-CC embarcado com potência de apenas 3,3 kW, como, por exemplo o Chevy VOLT, o Nissan LEAF e Focus EV, todos dobrando a potência do carregador embarcado em 2013). Mas eles não pararão por ai, e os modelos 2014/2015, a seu turno, convergirão para o padrão 10kW (O Toyota RAV4 EV já é), e ai sim, poderá haver alguma estabilidade (pelo menos por algum tempo).

Deste modo, Estações de Carregamento em CA, de 220V, para correntes de 15A - 16A, agora mesmo já não são mais desejáveis e, as de 220V, para corrente de 30A - 32A, deixarão de ser desejáveis em 2 ou, no máximo 3 anos. Já, estações de 220V, 45A, estas satisfarão por, no mínimo, 5 anos (ou, muito provavelmente, até mais).

1- Para fazer consultas sobre "Equipamento de Carregamento de Veículos Elétricos" em Corrente Alternada (CA) para Uso Residencial, conhecer normas e tecnologias, ou;

2- Para saber sobre as tendências, as melhores opções, ou fazer uma avaliação das condições atuais de uma instalação elétrica residencial e ainda para saber sobre as possibilidades e custos de adaptação ou expansão da instalação para receber uma Estação de Carregamento (de 15A a 75A, 220V).

email-me: andrellenz@hotmail.com

Para me conhecer melhor, me visite no EBAH: http://www.ebah.com.br/user/AAAAAJGx8AF/andre-luis-lenz

EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment (Equipto de Abastecimento de Veículos Elétricos) - Nível 1 e 2:

O Nissan LEAF, na versão SL, vem com dois diferentes receptáculos de conexão elétrica para recarga: um conector no padrão SAE J1772-2009, para conexão de carregadores nível 1 e 2 (120/220 volts AC) e um outro conector, JARI DC de alta tensão, projetado pela TEPCO para carregamento rápido em CC (480 V_CC, 125 A), usando o protocolo CHAdeMO (carregador nível 3).

O SAE J1772 é uma norma norte-americana (na verdade uma coleção de recomendações) para conectores elétricos para veículos elétricos mantidos pela Society of Automotive Engineers e tem o título formal "SAE - Prática Recomendada para Veículos de Superfície J1772 e SAE - Acoplador de Carga Condutiva para Veículos Elétricos" (1).

Ela cobre as características físicas gerais, os requisitos elétricos, o protocolo de comunicação, e o desempenho para o acoplamento condutor e o sistema de carga elétrica do veículo. A intenção é definir uma arquitetura comum para o sistema de carregamento dos veículos eléctricos, incluindo os requisitos operacionais e os requisitos funcionais e dimensionais para os correspondentes conectores de entrada dos veículos.

A SAE vem desenvolvendo também, uma variante de conector acoplador combinado, a partir do J1772, com pinos adicionais para acomodar carga CC rápida em 200-450V_CC, até 90 kW. Isso também irá usar a tecnologia Power Line Carrier para a comunicação entre o veículo, e o meio exterior, como o carregador e a rede inteligente. Eles estimam que o padrão seja aprovado e lançado ainda em 2012. Sete fabricantes de automóveis (Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porsche e Volkswagen) concordaram em introduzir o "Sistema Combinado de Carregamento" em meados de 2012. Já, na Europa, o acoplador combinado é baseado em um conector de carga tipo 2 (VDE) AC, mantendo total compatibilidade com a especificação SAE para carga em CC e com o protocolo GreenPHY PLC (Power Line Communication).

O protocolo de sinalização J1772 foi concebido para:

• A estação de abastecimento, ou EVSE (Electric Veihicle Supply Equipment), fornece um sinal de detecção de sua presença conectado a entrada do veículo (EV);

• O Veículo detecta que ele está conectado de entrando assim em bloqueio (evitando que o veículo se movimente enquanto estiver conectado);

• As funções de monitoramento e controle são realizadas na sequência:

• O equipamento de abastecimento detecta a conexão com um veículo elétrico;

• O Equipamentos de abastecimento indica ao VE plug-in (Veículos Elétricos dotados de conector para recarga da bateria) que está pronto para fornecer energia;

• Os requisitos de ventilação do VE Plug-in são determinadas;

• A capacidade de fornecimento de corrente do equipamento, de acordo com o PEV.

• Comandos do fluxo de energia para o VE Plug-in:

• O PEV e o equipamentos de abastecimento monitoram, permanentemente, a continuidade do aterramento de segurança;

• A operação de carga continua, tal como determinado pelo VE Plug-in;

• A operação de carga pode ser interrompida por simplesmente desconectar o cabo do veículo.

A especificação técnica foi descrita, inicialmente, na versão de 2001 da SAE J1772 e, posteriormente, na IEC 61851.

Sequencia Operacional:

A sequência de detecção de conexão entre o PEV e a EVSE é feita com o estabelecimento da conexão física do conector do cabo de energia/controle entre o EVSE e o PEV: O conector SAE J1772 possui um sensor micro chave (S3) embutido em seu corpo, que é capaz de detectar a posição da trava do conector. O contato desta chave atuará sobre o pino 5 (Proximity Detector) do próprio conector, de modo que o EV pode, então, tomar ciência de que ele está conectado a alguma EVSE e poderá passar então a considerar a informação do sinal “Piloto”, presente no pino 4.

Pinagem do Conector SAE-J1772

A EVSE colocará, inicialmente, uma tensão de 12 Volt via o resistor R1 no Contato Piloto (CP – Contact Pilot ou Control Pilot, pino 4 do diagrama da página a seguir), o qual chega ao lado do veículo como Piloto Presente (PP também denominado Presente Plug).

A tensão original de 12v, colocada pelo EVSE no “Piloto”, provocará uma corrente, via o diodo D1, causando uma redução da tensão para algo em torno de 8,3V no catodo de D1 (ou seja, 9V do lado do EVSE), devido ao divisor de tensão formado por R1 + R3) e, considerando que o cabo está efetivamente conectado, a tensão de 8,3V do catodo de D1 é então detectada pelo detector (buffer) do veículo, que informa o controlador.

Este protocolo permite descartar a eletrônica de circuitos integrados que são necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com o CHAdeMO ou EnergyBus - a SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para uma gama de temperatura de operação de -40 °C até +85 °C.

EVSE = Electric Vehicle Supply Equipment (Equipamento de Abastecimento de Veículo Elétrico)

Confirmando a detecção da conexão, o controlador do veículo comutará o relê K1, que insere o resistor R2, provocando a redução da tensão de 8.3V para 5.3V (do lado do EVSE a tensão cai de 9V para 6V) de modo que EVSE detectando isso, entenda como uma confirmação da parte do PEV de uma conexão plenamente estabelecida.

Resumindo tudo, se no pino 4 tivermos 12V, significa o estado “Não Conectado”, se tivermos 9V, significa o estado “Conectado e Não Pronto” e, por fim, se tivermos 6V, significa o estado “Conectado e Pronto”.

Os fios condutores das estações de carregamento públicas estarão sempre inativos se o circuito de detecção de conexão presente CP-PE estiver em aberto. Se o circuito é fechado, a estação de carga também pode testar a funcionalidade do terra de proteção. Já a micro chave embutida no conector (S3) tem ainda um segundo papel: se o motorista remove o conector no meio de uma carga, deslizando o interruptor de volta, o sinal “Proximity” avisa imediatamente ao PEV que ele está sendo desconectado.

Estando pronto, o controlador da estação de carga, então, comuta o relé K2 e passa a enviar um sinal de onda quadrada de 1KHz de frequência, 12 Vpp ± 0,4 V, por meio do mesmo Contato Piloto (CP), ao veículo.

A estação de carregamento usa esse sinal de onda quadrada para informar ao VE sobre a corrente máxima que está disponível a partir da dela (estação de carregamento). Isso é realizado pela modulação desse sinal em largura de pulso (PWM): um ciclo de trabalho de 10% nos pulsos PWM, significa uma corrente máxima de 6 A, por sua vez, um ciclo de trabalho de 16%  nos mesmos pulsos, significa um máximo de 10 A de corrente, enquanto que 25% de ciclo de trabalho (o minimo que se encontra na prática do padrão SAE J-1772), significa uma corrente de 16 A. Já, um ciclo de trabalho de 50% no PWM significa uma corrente máxima de de 32A, enquanto que, por fim, um ciclo de trabalho de 90% sinaliza uma opção de carga rápida (>50A). 

Será sugerida, aqui, uma EVSE de 45 A máximo nominal (com ciclo de trabalho de PWM de 70,3%).

A norma americana limita a corrente de carregamento CA doméstica em 16 A (para nível 1) e 80 A (para nível 2), todavia, o desejo preferencial dos consumidores é por investir em uma EVSE nível 2, que os permitam estar previamente prontos para uma necessidade de upgrade em termos de corrente de carregamento.

Hoje, quando você põe, por exemplo, um Nissan Leaf para carregar, independente se ligá-lo a uma rede elétrica CA de tensão de 127V ou de 220V, a corrente ficará limitada a um mesmo valor 15A. Isso ocorre pois é o próprio VE que limita a corrente, em conformidade com o porte do seu carregador embarcado, cuja potencia atual é de 3,3 kW. Acontece que no curto prazo isto está para ser revisto, e o porte do carregador embarcado dobrará,  passando para a potência de 6,6 kW, no que o limite de corrente será de 30A.

Todavia, é importante saber, também, quanto as concessionarias de energia brasileiras, como é que elas lidarão com isso e a quantas, exatamente, elas irão limitar a capacidade de corrente abastecimento a partir da rede CA. Até onde eu sei, isso ainda está para ser decidido. Poderá haver uma padronização a nível nacional, o que será bastante conveniente, ou poderá haver diferenças por região, mas eu aposto numa cópia muito aproximada da norma americana.

Riscos de Áreas Classificadas (Atmosferas Explosivas):

Quando uma estação de carregamento de VE situa-se dentro de casa, em certos casos, alguns tipos de baterias liberam gás de hidrogênio durante o carregamento e o acúmulo de gás hidrogênio em aplicações internas é um possível risco de explosão. Existindo o risco de um aumento no acúmulo de hidrogênio, um subsistema de ventilação suplementar é exigida, para a operação segura de recarga dos veículos que contêm estes tipos de baterias. O artigo NEC 625, por exemplo, contém requisitos específicos para a sistema de ventilação , incluindo a vazão mínima do ar que devem ser fornecidas.

Nos EVs comercializados por grandes montadoras de automóveis, baterias mais avançadas têm sido empregadas, as quais não liberam gás de hidrogênio durante a operação carregamento. Para evitar criar uma situação onde o gás de hidrogênio possa vir a ser acumulado dentro de um espaço fechado, como uma garagem, as normas exigem a atuação de um subsistema de ventilação.

Na publicação "Using electric storage batteries safely" de 2011, o órgão do governo Inglês "Health and Safety Executive", declarou: "Todos os anos, pelo menos 25 pessoas são gravemente feridas na utilização de baterias no trabalho".

O procedimento intertravado para atuação do subsistema de ventilação por exaustão desempenha três funções, a fim de atender as exigências de normas de segurança internacionais:

• Primeiro, ele consulta o veículo para determinar se o mesmo necessita, ou não, de ventilação durante a operação de carregamento;

• Em segundo lugar, o mesmo determina se a própria EVSE pode ou não, proporcionar tal ventilação por exaustão;

• Finalmente, se a oferta de ventilação está disponível, garante que a ventilação efetivamente opere durante todo o processo de carregamento (recomendando-se um tempo extra de atuação ao final do carregamento).

Três cenários podem ilustrar como o intertravamento de ventilação opera:

1. Se uma estação de carregamento possui o subsistema de ventilação exaustor incluído, então o intertravamento permitirá tanto que um veículo usando baterias de gaseamento, quanto um veículo usando baterias que não geram gases sejam, ambos, carregados nela;

2. Se uma estação de carregamento está localizada em área exterior (aberta), onde há ventilação natural suficiente, o intertravamento permitirá que qualquer veículo se carregue;

3. Se um subsistema de ventilação não está incluída no sistema, então o encravamento irá permitir apenas que veículos dotados de baterias que não liberem gases sejam carregados, mas não um veículo que produz gaseamento.

O bloqueio de ventilação oferece garantia ao proprietário EV que o gás de hidrogênio, se gerado, não irá ser acondicionado em espaços fechados, independentemente do tipo de baterias ou de veículos. Esta garantia prevê o sucesso de mercado a longo prazo de EVs produzidos comercialmente.

Se o veiculo requerer ventilação forçada na operação de carregamento, o resistor R2 é modificado de 1K3Ω para 270Ω, de modo que a relação das tensões no pino 4 se alteram e, com isso, por exemplo, 3V ao invés de 6V estará presente, para indicar conectado e pronto.

Assim, a estação de carregamento pode reagir por apenas a verificação da presente faixa de tensão no circuito CP-PE. Note-se ainda que o diodo D1 somente irá conduzir avante uma tensão positiva e qualquer tensão negativa no circuito CP-PE irá desligar a corrente, considerando como um erro fatal, estado que requer a intervenção do usuário operador para reinicializar o EVSE, restaurando a operação normal.

Veja Também:

Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grid) e os Veículos Elétricos

O Projeto de Israel: Uma Bateria Avançada que Reduza a Sede de Petróleo no Mundo

Sobre Carregamento de Veículos Elétricos

Por Dentro de uma EVSE (Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC Nível 2):

Numa primeira olhada por dentro de uma Estação de Carregamento EV SAE-J1772-AC-Nível 2, podemos rapidamente constatar que não há muito coisa dentro dela que justifique o custo de US$700,00 (R$1400,00), para se adquirir uma (fora o custo do serviço de instalação), lá nos EUA. Penso que é a novidade tecnológica dos EVs tendendo a se popularizar, que leva alguns a verem uma boa oportunidade de ganhar um bom dinheiro extra (principalmente com a aquisição do cabo e o conector de saída e com a mão de obra instaladora) e, a de outros a bancar o sacrifício de pioneirismo nessa inovação.

Trata-se de uma linha de CA bifásica (dois fios, L1 e L2), de 220V, normalmente de 30A ou 32A (EUA/Europa, ou de maior capacidade de corrente, limitado (pela Norma SAE-J1772) a um máximo de 80A), já visando o carregamento com o novo retificador embarcado do Nissan LEAF para carga de 6,6 kW), com um terceiro fio que provê devido aterramento (o famoso cabo condutor de encapamento verde e amarelo (ou, apenas verde, no Brasil) que, creiam, colegas, ainda é, de fato, muito raro de existir nas instalações elétricas das residências brasileiras).

Eu, particularmente, sugiro que, desde cedo, se especifique o ponto de tomada de energia para esse equipamento para ser além de 30A, seja no caso de instalação de um novo ramal interno, ou mesmo no caso de reforma de um ramal pré-existente, mesmo que seja para receber, hoje, por ora, apenas uma estação de apenas 30A mesmo.

Usando cabos condutores isolados em termofixo de seção de 6 mm², possibilitará a instalação agora de uma estação de 30A ou 32A (ou mesmo 45A), e ainda deixará uma boa margem para um eventual futuro upgrade para uma estação até 20% mais potente (de 45A para até no máximo 54A, sem precisar trocar cabo algum depois). Todavia, caso se deseje deixar a instalação prevista para uma máxima corrente permitida pela norma do conector disponível comercialmente (75A), então empregar cabos condutores isolados em termofixo de seção de 10 mm² na instalação do ramal para o equipamento

O que essa linha CA tem de especial é que é protegida por fusíveis próprios e adequados (veja FUSE no diagrama da figura a seguir), e que ela pode ser manobrada automaticamente, sendo ligada e desligada por meio de um contator bipolar (veja Relay DPST no diagrama) ou, melhor ainda, por meio de um relé do tipo SSR (Relê de Estado Sólido) Duplo (Bifásico), com saída a Tiristor até 280V_CA (duplo SCR em antiparalelo) para serviço pesado, de 50A (para uma estação EVSE de 45A/220V_AC nominal), que poderá ser acionado diretamente pela eletrônica de controle (sim, haverá necessidade de uma “alguma” eletrônica de controle) comandado por CC_, normalmente de 3 a 32 V_CC. Repare, no diagrama abaixo, que ambas as fases da rede CA devem ser interrompidas pelo SSR, portanto, ele precisa ser Duplo (Bifásico) e por isso custa ao em torno de US$ 59,90.

Até aqui nada de mais, ou seja, nada mesmo que qualquer eletricista qualquer não possa fazer num vapt-vupt, no entanto, temos algo mais: a linha CA é também monitorada! Isso significa que por meio de um componente conhecido por TC (Transformador de Corrente), a corrente de carregamento do EV que flui pela linha CA será permanentemente medida. O TC pode ser visto no diagrama anterior sob a designação “CT CR8420-1000-G”.

Um TC aplicado a medição da corrente é necessário (US$ 9,90). O principio de funcionamento de um TC, de maneira geral, é o mesmo de um transformado de CA qualquer: indução eletromagnética entre o primário e o secundário. Só que o primário não está presente nesta peça pois, ele será composto quando, na montagem da instalação, nós enrolamos o(s) cabo(s) condutor(es) de energia em torno do “anel” do TC (ver montagem próximas fotos):

Desde modo, aproveitamos a corrente induzida no secundário para desenvolvermos uma tensão V que, dentro de uma certa faixa de operação, é linearmente proporcional em relação a corrente circulante no condutor de energia (primário).

Esta tensão, entra para a placa eletrônica de controle, onde é convenientemente filtrada e acondicionada para, por fim, ser entregue ao microcontrolador, indicando para este que, efetivamente, se está “Carregando o Veículo”.

Nas primeiras unidade instaladas pela Eletropaulo na capital paulista, eu tive a nítida impressão, olhando por fotos, de ter visto que o TC, do tipo removível (Split Core Transducer), montado pelo lado de fora da caixa de instalação. Particularmente eu não creio que isso seja algo bom para a segurança da instalação em locais públicos, o ideal mesmo é que toda a fiação e componentes do circuito principal fique abrigada, e oculta aos olhos de curiosos, dentro dos eletrodutos e da caixa, conforme a foto ao lado (caixa propositadamente aberta apenas para foto).

A montagem é feita com o par de fios condutores da energia da rede CA, no segmento compreendido entre a proteção e a manobra, passando por dentro do “anel” do TC. O “anel” do TC, na verdade, corresponde a um “secundário de transformador”, encapsulado junto com o seu “núcleo” magnético em formato toroidal. Os fios da linha CA simplesmente passando por dentro do anel do TC cumprirão a função de “primário de transformador”, correspondente a um enrolamento de ½ espira para o primário.

A corrente que circula no primário do TC causará indução eletromagnética no secundário. A indução causada ao secundário tem uma intensidade que é proporcional a corrente que circula no primário, de modo que, assim, o valor do sinal elétrico induzido no secundário se presta como referência de medição da corrente circulante no primário. Assim, o EVSE poderá ter total conhecimento sobre a corrente de carregamento do EV que está a ela conectado, mas as informações sobre o carregamento estarão presentes, também, no painel do carro.

A fim de melhorar a sensibilidade da medição da corrente de carregamento, aumentamos a intensidade da indução do primário sobre o secundário do TC. Para fazer isso basta passarmos a, literalmente, enrolar o fio do primário em espiras: 1 volta (1 espira) e dobramos a sensibilidade. Já com 2 espiras quadruplicamos e, com 3 espiras, conforme o exemplo da foto ao lado acima, sextuplicamos. Detalhe: apenas os fios branco e preto precisavam ter sido enrolados ali, o fio verde (aterramento) não precisava. Isso não ajuda em nada, mas também não prejudica em nada.

O sinal elétrico captado pelo TC é enviado para um pequena placa eletrônica, que tratará de formatar esse sinal de modo a adequá-lo ao CI Microcontrolador (sim, se queremos ter um EVSE nível 2, precisaremos uma pequena placa eletrônica e, TALVEZ, com um pequeno microcontrolador).

Na foto ao lado não se pode ver a placa eletrônica pois, ela está presa e escondida por trás do tampo / painel frontal da caixa. Os botões de comando, START, STOP, assim como os 5 indicadores luminosos de estado, presentes no painel frontal, respectivamente:

Energia Presente;	Pronto Para Carregamento;	Veículo Conectado;
Carregando Veículo, e;	Falha.

Estão conectados, de fato, a essa placa eletrônica, assim como o chicote de fios coloridos que pode-se observar, descendo do interior da caixa para o painel frontal (o que não permite que tampa seja removida sem desconectar todos as conectores).

Além de monitorar a amplitude da corrente de carregamento, de fazer o monitoramento de estado pelo laço CP-PE (com o veículo conectado ou não), se a operação de carregamento já esta em curso ou não e se a operação requer ventilação por exaustão ou não, de gerar os pulsos de PWM que controlam no veículo o limite da demanda por corrente de carregamento, precisaremos, que a eletrônica do lado do EVSE proveja, ainda, uma baixa tensão de CC (12 VCC) para alimentar o seu próprio funcionamento. Note que a placa de controle do EVSE deve ser aterrada para o piloto para operar corretamente. Se estiver usando uma fonte de alimentação CC isolada (não aterrada) a placa EVSE vai precisar, obrigatoriamente, para funcionar adequadamente, de uma conexão adicional para o aterramento.

Ai fechou? … ou não? … depende! Depende do gosto do freguês!

Já que temos que ter uma eletrônica de controle, por que não incrementá-la? Por exemplo, a indicação por Leds projetada a princípio para o EVSE da Nissan me parece um tanto tosca e pode ser melhorada para, digamos, um mostrador de cristal liquido (LCD), que tal? Que tal um mostrador colorido? Se ainda estiver dentro do orçamento de US$ 700, beleza!

Já existe uma boa gama de variedades de projetos pré desenvolvidos por técnicos aficcionados, com base no emprego de microcontroladores, principalmente o ATMEL AVR de 8 bits e essas placas já podem ser adquiridas como kit para montagem. Aqui estão algumas fotos de amostra alguns dos estados de uma das placa Open-EVSE, apresentados na tela de mostrador colorido:

Ao lado uma foto de um carregador usando placa de controle Open-EVSA J1772 compatível, 120V, 16A (nível1) feita em casa. A mesma placa eletrônica pode ser usada é usada para upgrade do carregador para 220V, 30A, ou mesmo 220V, 45A, visando, por exemplo, carregamento de um Toyota RAV4 EV, cuja bateria elétrica Lítio-íon apresenta um pacote de 41,8 kW.h, (autonomia de 161 km) com um retificador embarcado (via conector SAE J1772) para até 10 kW, para tempo de carga de cerca de seis horas. Isso é possível, apenas por se ajustar o firmware da placa eletrônica de controle e, obviamente, requerendo o emprego de cabos, fusíveis, SSR e caixa de portes maiores adequados.

Quanto a caixa,. a caixa AA 701 da Taunus é normalizada IP 65 (NBR 6146, DIN 40050, IEC 529) - totalmente protegido contra a entrada de poeira e protegido contra jatos de baixa pressão de água de qualquer direção. Ela possui placa de montagem em chapa de aço zincado de 2,0 mm (opção por 1,0 mm) de espessura e o fecho é por meio de parafusos de aço inoxidável, tipo prisioneiro, com trava e molas.

A caixa e a tampa são feitas em poliéster reforçado com 15% de fibra de vidro (FIBRAMAX - SMC), vedação em borracha neoprene, placa de montagem, parafusos e molas. As medidas são Altura (A) 310 mm; Largura (L) 215 mm; Prof. (P) 95 mm + trampa; Peso (Kg) 3,3 Kg (Taunus AA 701).

O ponto crítico para que um hobista possa construir o seu próprio EVSE, com segurança e qualidade, aqui no Brasil, não é com respeito eletrônica de controle, mas sim, quanto a aquisição do material adequado para a confecção do cabo saída da estação. Os padrões atuais envolvem, basicamente, três modelos predominantes:

1. Corrente Nominal 16A, para tensão CA de 120V (nível 1) ou de 220-240V (nível 2);
2. Corrente Nominal 32A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2);
3. Corrente Nominal 75A, para tensão CA de 220V-240V (nível 2);

Em todos estes modelos, o conector, em geral, é o mesmo, o SAE-J1772, com micro chave sensor de proximidade embutido, terminais de energia para 70A (US$ 170,00 ... takai desune!!!!) que apesar de estar se tornando o padrão mundial, não é (e não creio que será tão cedo) fabricado no Brasil, no entanto, a diferença entre eles está na área da seção transversal dos três condutores de energia contidos no cabo que serão: 2,5 mm² (para 16A), 4 mm² (para 32A) e 13.3 mm² (para 75A).

Os três condutores de energia de um cabo SAE-J1772 tem a mesma bitola e conduzem, respectivamente, fase 1, fase 2 (ou neutro) e aterramento. Além dos três condutores de energia, o mesmo cabo agrega mais duas vias que são dois condutores de sinais de controle (de áreas de seção transversal igual a 0,75 mm2), perfazendo um cabo do tipo redondo multivias de 5 vias, extra flexível (por exemplo, 3 x 10mm2 + 2 x 0,75 mm2).

Nos modelos de 220V-240V, nível 2, há uma grande brecha entre 32 e 75A, por isso o padrão de 45A também vem se mostrando uma opção, algo mais realista até, convergindo as necessidades do mercado e os limites de fornecimento por parte das concessionárias. Neste caso, o cabo redondo multivias flexível terá cinco vias: 3 x 10 mm2 + 2 x 0,75 mm2. Tal cabo não é fabricado no Brasil e, mesmo que a demanda pareça apontar para uma necessidade algumas centenas de quilômetros desse cabo, só nos próximos anos, poucos fabricantes ainda o fazem, no mundo todo e não é de admirar que os chineses lideram a produção, fornecendo-o como subconjunto, já montado ao conector J1732, a preços que variam atualmente, de US$200 (32A) a US$300 (75A), com comprimentos de cabo de 6 a 8 m (US$ 230,00 para cabo com conetor montado para 45A). Ao lado vemos um exemplo de cabo para 75A, onde o encapamento do condutor de aterramento se apresenta nas cores preto e amarelo (aqui deveria ser verde e amarelo).

O EVSE que é capaz de fornecer 45A (9,9kW), gera um sinal PWM de 1kHz com ciclo de trabalho de 75% para o controle do carregamento e atende, ao limite de capacidade de carregamento normal de um grande números de aplicações.

Para realizar a função de “piloto” e para alimentar a placa de controle, uma fonte CC de 12V, 2A é necessária (custo R$ 40,00). Dimensões: 85 x 58 x 32 mm. Atentar para entrada em 220V_CA e para a ligação do aterramento juntamente a caixa de metal.

Finalmente, a placa de controle, a versão 2 da DIY Through Hole Board. Esta atualização traz a versão DIY da placa OpenEVSE em linha, com as placas sendo fornecidas em forma de Kit para montagem ou pré montadas, adicionando os pinos I²C para mostrador RGB LCD e os pinos para os controlos de segurança avançados. Preço US$ 80,00.

Esta pesquisa tem um prosseguimento a partir da postagem: O Arduino Uno (ou Duemilanove) Aplicado a uma EVSE (SAE-J1772 CA Nível 2) - Parte 1